EMD () — метод разложения сигналов на функции, которые получили название «эмпирические моды».

Метод EMD представляет собой итерационную вычислительную процедуру, в результате которой исходные данные (непрерывный или дискретный сигнал) раскладываются на эмпирические моды или внутренние колебания (, IMF). В отличие от гармонического анализа, где модель сигнала (дискретного или непрерывного) задаётся заранее, эмпирические моды вычисляются в ходе процесса, что и подчёркивается в названии метода. Разложение на эмпирические моды позволяет анализировать локальные явления, поэтому данный метод может быть использован при обработке нестационарных временных рядов (или процессов).

Метод EMD является неотъемлемой частью преобразования Гильберта — Хуанга.

Определения

Огибающая сигнала Огибающая сигнала — это функция, построенная по характерным точкам данного сигнала, например, по экстремумам.

У каждого (дискретного или непрерывного) сигнала имеются локальные экстремумы: локальные максимумы и локальные минимумы. В результате, можно построить две огибающие: нижнюю огибающую, построенную по точкам локальных минимумов, и верхнюю, построенную по точкам локальных максимумов.

В методе EMD в качестве приближающих функций используются кубические сплайны.

Среднее значение В методе EMD используется так называемое «среднее значение» — функция, которой отвечает срединная линия, расположенная в точности между огибающими: нижней и верхней.

Эмпирическая мода Эмпирическая мода, внутреннее колебание или мода (, IMF) — это такая функция, которая обладает следующими двумя свойствами: Количество экстремумов (и максимумов и минимумов) и количество нулей не должно отличаться более чем на единицу. Среднее значение, которое определяется по двум огибающим — верхней и нижней, — должно быть равно нулю.

Эмпирические моды обладают такими свойствами, которые позволяют применять к ним методы гильбертова спектрального анализа.

Просеивание Процедура выделения эмпирических мод называется просеиванием ().

Алгоритм метода Пусть  — анализируемый сигнал.

Суть метода EMD заключается в последовательном вычислении эмпирических мод и остатков , где и .

В результате получается разложение сигнала вида

где  — количество эмпирических мод, которое устанавливается в ходе вычислений.

Схема алгоритма В общем виде алгоритм метода выглядит следующим образом.

Находятся экстремумы сигнала. Их следует искать между каждыми двумя последовательными переменами знака.

Строятся две огибающие сигнала: нижняя и верхняя . При этом можно использовать сплайн (например, кубический).

Вычисляются среднее значение и разность между сигналом и его средним значением: .

Если полученная разность удовлетворяет определению эмпирической моды, то процесс останавливается. В этом случае полученная разность и будет эмпирической модой.

В противном случае, необходимо повторить предыдущие операции уже для полученной разности (поиск экстремумов, построение огибающих, вычисление среднего и его вычитание): . В результате выполнения последовательности итераций вида

необходимо получить функцию

которая удовлетворяет определению эмпирической моды. Как только эмпирическая мода, обозначаемая , выделена, итерации прекращаются.

Вычисляется остаток , и весь алгоритм повторяется снова, но уже для функции .

Получение остатков происходит до тех пор, пока вновь вычисленный остаток не окажется монотонной функцией, из которой уже нельзя выделить эмпирическую моду.

Условия остановки При просеивании последовательно вычисляются функции , поэтому необходимо иметь критерий останова итерационного процесса. Для этого обычно используется одно из двух условий.

Первое условие было предложено самим Хуангом и по форме напоминает критерий Коши (сходимости последовательности), а именно: определим для каждого целого числа величину

Итерации прекращаются как только число станет меньше, чем некоторая заданная заранее величина.

Второе условие основано на соотношении количества пересечения нуля и количества экстремумов : процесс просеивания обрывается, если или имеет место на протяжении итераций. Число выбирается заранее.

См. также Преобразование Гильберта — Хуанга Программирование EMD на C++: Класс HHT

Литература

Категория:Обработка сигналов